تهیه مبدل استوانه ای کامپوزیت پیزوالکتریک سرامیکی / پلیمری (1)

آرایه مبدل اجزای کلیدی در سیستم سونار هستند. این وسیله ای است که تبدیل متقابل انرژی الکتروآکوستیک را درک می کند. عملکرد مبدل و آرایه مبدل عمدتاً به عملکرد، ساختار و فرآیند ساخت مواد مبدل بستگی دارد. در حال حاضر، بیشتر مبدل های صوتی زیر آب که از سرامیک پیزوالکتریک تیتانات سرب زیرکونات (PZT) به عنوان ماده تبدیل انرژی استفاده می کنند، که دارای مزایای ضریب جفت الکترومکانیکی بالا، تلفات کم، ساخت راحت و قیمت پایین است. با این حال، به دلیل امپدانس مشخصه بالای سرامیک های پیزوالکتریک، زمانی که بار آب یا بافت بیولوژیکی باشد، تطبیق بار آسان نیست، از دست دادن بازتاب حلقه سرامیکی پیزو در رابط بزرگ است و اتصال جانبی آن قوی است. بنابراین، مبدل ارتعاش ضخامت با آن باند فرکانس باریک، مقدار Q بالا، حساسیت کم و سایر کاستی ها تهیه می شود. مواد کامپوزیتی پیزوالکتریک نوع 1-3 به دلیل فاز پلیمری دارای امپدانس مشخصه کم، مقدار Q، ثابت دی الکتریک، ضریب جفت الکترومکانیکی جانبی و ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی با ضخامت بالا هستند. مواد ایده آل برای دستگاه صرفه جویی در انرژی. عملکرد مبدل های پیستونی ساخته شده از مواد کامپوزیتی پیزوالکتریک 1-3 و دیسک های معمولی PZT اندازه گیری شد و منحنی های پذیرش و انتقال دو مبدل در هوا و آب به دست آمد. این نمودار پاسخ ولتاژ، حساسیت دریافت و جهت است. و از طریق تجزیه و تحلیل مقایسه ای، نتیجه گیری می شود که مبدل مواد کامپوزیتی پیزوالکتریک نوع 1-3 نسبت به مبدل های پیزوالکتریک معمولی PZT عملکرد انتقال و دریافت به طور قابل توجهی بهبود یافته است. کامپوزیت پیزوالکتریک 1-3 (1-3-2) بهبود یافته ویژگی های الکتروآکوستیک عالی 1-3 را حفظ می کند. کامپوزیت پیزو سرامیک PZT5 و دارای پایداری دما و فشار خوبی است که برای تهیه مبدل آکوستیک زیر آب بسیار مناسب است. این مقاله از یک ماده کامپوزیت پیزوالکتریک 1-2-3 برای طراحی و ساخت یک مبدل صوتی استوانه‌ای زیر آب استفاده می‌کند و میزان پذیرش، پاسخ ولتاژ انتقال، حساسیت دریافت و هدایت آن را اندازه‌گیری می‌کند.

ساختار و تهیه کامپوزیت های پیزوالکتریک

مواد کامپوزیت پیزوالکتریک از 1-3 ماده کامپوزیت پیزوالکتریک و بسترهای سرامیکی پیزوالکتریک که به صورت سری در امتداد جهت قطبش سرامیکی به هم متصل شده اند ساخته می شوند. این سازه دارای تکیه گاه سرامیکی پیزوالکتریک صلب به موازات و عمود بر جهت پلاریزاسیون است که از مواد کامپوزیتی نوع 1-3 پایدارتر است. این نه تنها تمام مزایای مواد کامپوزیت 1-3 پیزوالکتریک را حفظ می کند، بلکه به راحتی در دماهای بالاتر تغییر شکل نمی دهد و مقاومت حرارتی و مقاومت بهتری در برابر ضربه های خارجی دارد. مواد کامپوزیت پیزوالکتریک با فرآیند برش پر کردن تهیه می شود. سرامیک پیزوالکتریک از PZT-5A تولید شده توسط موسسه آکوستیک آکادمی علوم چین استفاده می کند. هنگام خروج از کارخانه قطبی شده است. از دستگاه برش خودکار برای برش سطح عمود بر محور پلاریزاسیون پیزو سرامیک در دو جهت که عمود بر یکدیگر هستند استفاده می شود و ضخامت مشخصی از بستر را حفظ می کند تا یک اسکلت سرامیکی تشکیل شود. یک پلیمر با مقدار مناسب عامل پخت در چارچوب سرامیکی (یعنی رزین اپوکسی WRS618 تولید شده توسط کارخانه رزین Wuxi) ریخته می شود و سپس حباب اجکتور خلاء تخلیه می شود و در دمای اتاق پخت می شود تا یک ماده کامپوزیتی ساخته شود که برای شکل دادن به قسمت خالی، آسیاب یا برش داده می شود. یک نمونه از مواد مرکب تشکیل شد و در نهایت با استفاده از دستگاه کندوپاش مگنترون با خلاء بالا، سطح نمونه با الکترود پوشانده شد. با استفاده از فرآیند فوق، دو قطعه ورق کامپوزیت 1-3-2 پیزوالکتریک سرامیک / پلیمری 40mm*40mm*10mm تهیه شد. عرض ستون های سرامیکی و عرض رزین اپوکسی بین ستون ها به ترتیب 0.9 و 0.45 میلی متر و ضخامت مبدل سیلندر پیزوالکتریک
 1 میلی متر است. در امتداد جهت ضخامت مواد کامپوزیت، دو قطعه از مواد کامپوزیت به 24 ویفر مواد کامپوزیت به طول 10 میلی متر، عرض 6.5 و ضخامت 10 میلی متر بریده شد. عملکرد رزونانس هر ویفر پیزوالکتریک اندازه گیری شد و 18 مورد از آنها برای ساخت دو ویفر جایگزین انتخاب شدند. نتایج اندازه‌گیری عملکرد هر عنصر مبدل، قوام عملکرد هر عنصر پیزو خوب است و فرکانس رزونانس آن تقریباً یکسان است. شکل منحنی اندازه گیری پذیرش یکی از عناصر آرایه را نشان می دهد که در آن عناصر آرایه همه شبیه به آن هستند. 

ساختار و فرآیند ساخت مبدل استوانه ای پیزوالکتریک

3.1 ساختار مبدل

تعداد زیادی از مواد مرکب پیزوالکتریک 1-3-2 به طور یکنواخت در امتداد محیط چیده شده اند تا یک آرایه دایره ای برای تولید یک مبدل استوانه ای شکل دهند. ساختار مبدل در تصویر نشان داده شده است. در حال حاضر هیچ مبدلی از این ساختار یافت نشده است. گزارشات تحقیقاتی مرتبطی وجود دارد.

مبدل پیزوالکتریک استوانه ای کامپوزیت از یک عنصر کامپوزیت، یک پشتی مسی، یک براکت و یک صفحه پوششی تشکیل شده است. هجده عنصر مواد مرکب PZT به طور مساوی در شیارهای پشتی مسی حلقه ای شکل در امتداد محیط قرار گرفته اند و سطح زیرین عناصر مواد کامپوزیت با یک چسب رسانا به پشت مسی چسبیده است. به این ترتیب، پشتی مسی نه تنها می تواند عناصر آرایه را تعیین کند، بلکه جابجایی ارتعاش را نیز افزایش می دهد. به دلیل استفاده از اتصال چسب رسانا، الکترود پایینی عنصر کامپوزیت به پشتی متصل می شود که فرآیند سرب الکترود را ساده می کند. به این ترتیب، سرب الکترود پایینی (خط سیگنال) را می توان از دیواره جانبی داخلی پشتی لوله مسی به بیرون هدایت کرد و به همان کابل سیگنال کابل شفت متصل کرد. سپس براکت و پوشش انتهایی به ترتیب پشتی مسی را از دو جهت گیره و ثابت می کنند. پشتی، براکت و پوشش انتهایی با یک واشر فوم سفت و سخت عایق بندی می شوند و سپس الکترودهای خارجی عناصر پیزو مواد کامپوزیت به سیم محافظ کابل کواکسیال متصل می شوند و با یک اتصال ضد آب یا چسب ضد آب مهر و موم می شوند. در نهایت مجموعه را در قالب قرار می دهند و یک پلی اورتان به ضخامت حدود 2 میلی متر ریخته می شود تا یک لایه ضد آب، نفوذ صدا و آب بند ایجاد شود. با استفاده از فرآیند فوق، دو مبدل استوانه‌ای یکسان به صورت آزمایشی ساخته شد و ابعاد کلی مبدل‌های استوانه‌ای پس از مونتاژ 70 میلی‌متر × 15 میلی‌متر بود.